射频片上螺旋电感的模型分析与优化设计

摘要

近年来，硅基片上螺旋电感作为射频芯片的重要器件成为了国内外学术界和业界的研究热点。片上电感可应用于移动通信系统的多个模块中，是实现单片硅基射频集成电路(Si-RFIC)的关键。与传统的分立电感相比，片上电感具有噪声小、功耗低、成本低和易集成的优点。本文主要研究了的硅基片上电感的电感值算法、物理模型的改进和品质因子Q值的优化，设计实现了螺旋金属线宽和间距渐变的新颖结构的电感。 在广泛的文献调研基础上，本文从公式上比较了Greenhouse分段算法、Jenei算法和分圈迭代逼近算法的优缺点，选择了效率和精度较高的的分圈迭代逼近算法作为本文计算电感L值的依据。该算法与HFSS仿真结果相比误差在5.5％以内，与实际测试结果相比误差在6.5％以内。另一方面，本文采用分圈迭代逼近算法对电感初值进行确定，再跟据ADS所提供的Gradient算法对进一步改进的单π物理模型与HFSS的仿真值进行Q值和L值的拟合。结果表明进一步改进后的单π模型的L值和Q值与HFSS仿真值之间拟合得较好，特别是在高频的情况下。 根据电磁场理论详细分析了片上电感的损耗机理，并借助三维电磁场仿真工具HFSS对不同工艺参量和结构参数的电感作了大量分类模拟讨论后，本文在不改变电感版图尺寸的前提下，自主提出了螺旋金属线宽和间距渐变的电感结构以减小高频时的涡流损耗，从而提高电感Q值。这种基于电感结构的Q值优化方法相对于其它Q值优化方法更易实现，且不增加任何工艺成本。对所设计的优化电感样品制备测试后，测试结果为对于电感值L=5.96nH的优化结构电感，在工作频率为2.4GHz时的Q值=14.23，比相同外径未优化电感的Q值提高了11.6％，而且其频率特性有所改善。 总之，实验结果显示本文电感结构优化的设计方法是合理准确的，工艺实现是可行的，而且该新型结构是在传统结构电感的基础上，对其进行结构参数的优化得到的，能与常规CMOS工艺相兼容。因而，该优化结构的高性能电感适用于各种电路设计中，并对片上电感的设计起到了一定的理论指导作用。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及学位论文授权使用声明

第一章绪论

第二章电感的理论分析基础

第三章片上螺旋电感的RLC模型

第四章片上电感的性能分析和优化设计

第五章硅基片上电感的制备和测试分析

结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表与专利申请情况

致谢